[發明專利]一種樹型傳感器網絡的自組網和低功耗數據匯集方法

有效

• 申請號: 201710181152.X
• 申請日: 2017-03-24
• 公開（公告）號: CN107148069B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 蔡昕哲;顧敏明;潘海鵬
• 申請（專利權）人: 浙江理工大學
• 主分類號: H04W48/10
• 分類號: H04W48/10;H04W52/02;H04W84/18
• 代理公司: 無錫市匯誠永信專利代理事務所(普通合伙) 32260
• 代理人: 張歡勇

1.一種樹型傳感器網絡的自組網和低功耗數據匯集方法，其特征在于，傳感器節點與協調器通過無線通信，協調器與中繼網關通過串口通訊，傳感器節點負責在現場測量各種環境數據，并將數據通過無線發送給協調器，協調器一方面通過無線與傳感器節點進行通訊，負責傳感器網絡的建立，和傳感器節點測量數據的采集；另一方面通過串口與中繼網關進行通訊，負責向中繼網關轉發傳感器節點測量數據，和接收中繼網關的指令；中繼網關的作用是當各節點的測量數據在中繼網關中數據匯集后，由網關對數據進行融合，最后通過無線網絡將數據發送至監測服務器主機；

所述傳感器節點的工作步驟包括節點首次接入網絡階段、重新接入網絡階段、數據測量發送階段；具體步驟如下：

1)節點通電后，初始化硬件配置；

2)讀取控制器片內EEPROM中的自身節點地址信息，默認地址為0X0000；

3)節點地址是否為0X0000，如果是，則判斷自身為未組網的新節點，進入節點首次接入網絡階段，即步驟4)-7)；否則判斷不是新節點，進入步驟8)；

首次接入網絡階段：

4)在信道0廣播新節點請求入網指令；

5)切換至信道0接收狀態，等待回復，等待時間為T_Wait，判斷是否收到協調器回復的允許新節點入網指令，如果是，則進入步驟6)，否則，返回步驟4)；

6)讀取新節點允許入網指令，記錄協調器分配的節點地址寫入EEPROM，記錄使用信道，標記自身狀態為正常狀態，標記剛入網；

7)在信道0向現協調器回復節點確認入網指令，進入步驟8)；

8)判斷自身狀態是否為故障狀態，如果是，進入重新接入網絡階段，即步驟9)-18)，否則進入數據測量發送階段，即步驟19)-28)；

重新接入網絡階段：

9)判斷原有節點請求入網指令廣播次數是否達到規定次數，如果是，進入步驟14)，否則進入步驟10)；

10)在通道0廣播原有節點請求入網指令；

11)切換至信道0接收狀態，等待回復，等待時間為T_Wait，判斷是否收到原協調器回復的允許原有節點入網指令，如果是，則進入步驟12)，否則，進入步驟13)；

12)標記自身為正常狀態，標記剛入網，記錄指令中的使用信道，返回步驟8)；

13)隨機等待一段時間，返回步驟9)；

14)在通道0廣播待托管節點請求入網指令；

15)切換至信道0接收狀態，等待回復，等待時間為T_Wait，判斷是否收到協調器回復的允許待托管節點入網指令，如果是，則進入步驟16)，否則，進入步驟18)；

16)讀取指令，記錄使用信道，標記自身狀態為正常狀態，標記剛入網；

17)在信道0向托管協調器回復待托管節點確認入網指令，返回步驟8)；

18)等待30秒，將原有節點請求入網指令廣播次數清零，返回步驟9)；

數據測量發送階段：

19)判斷是否剛入網，如果是，則進入步驟20)，否則進入步驟22)；

20)給所有測量數據賦值為0；

21)切換至使用信道接收狀態，一直等待現網絡中協調器發送的數據采集指令，接收到指令后，進入步驟24)；

22)打開傳感器模塊供電電源，測量環境參數；

23)關閉傳感器供電電源，喚醒無線模塊，切換至使用信道接收狀態，等待協調器指令，等待時間為T_Wait_Collect，判斷是否接收到協調器發送的數據采集指令，如果是，進入步驟24)，否則進入步驟28)；

24)記錄下次采集數據時間間隔T_Collect、故障節點總數N_Error和新增故障節點數N_Error_Add，計算下次低功耗處理器喚醒定時時間T_Wake＝T_Collect-T_Measure–(N_Error_Add*T_Wait)，無線模塊喚醒后接收等待時長T_Wait_Collect＝T_Wait+N_Error*T_Wait，定時器定時T_Wake；T_Measure為節點上傳感器測量數據所需時間總和，由實際節點所擁有的傳感器類型和數目決定；

25)在使用信道向協調器發送節點發送測量數據指令；

26)關閉所有不用資源，進入休眠；

27)定時時間T_Wake到后，定時器中斷喚醒低功耗處理器，返回步驟8)；

28)標記自身故障狀態，返回步驟8)；

所述協調器工作步驟包括協調器入網階段、監聽廣播階段和數據匯集階段；

具體步驟如下：

協調器入網階段：

(1)協調器通電后，初始化硬件配置；

(2)向網關發送協調器請求入網指令；

(3)收到網關回復的批準協調器入網指令后，記錄協調器地址、原有節點數和使用信道，標記所有節點為故障狀態；

(4)在信道0廣播協調器信道選擇指令；

(5)切換至信道0接收狀態，等待回復，等待時間為T_Wait，判斷是否收到其他協調器回復的協調器信道占用指令，如果是，判斷該信道被占用，進入步驟(6)，否則判斷該信道可用，進入步驟(9)；

(6)判斷是否協調器選擇信道指令發送次數等于信道總數減1次，如果是，判斷信道選擇失敗，進入步驟(7)，否則進入步驟(8)；

(7)向網關發送協調器信道選擇失敗指令，等待一段時間后，清空協調器選擇信道指令發送次數，返回步驟(4)；

(8)改變協調器選擇信道指令中選用信道，返回步驟(4)；

(9)確定使用信道Channel_Used向網關發送協調器信道選擇成功指令；

(10)收到網關回復網絡建立成功指令后，更新定時器定時時間T_Collect，定時器定時；

(11)切換至信道0接收狀態，監聽廣播；

(12)判斷定時器定時時間是否達到，如果沒有到達，進入監聽廣播階段，即步驟(13)-(27)，否則進入數據匯集階段，即步驟(28)-(39)；

監聽廣播階段：

(13)判斷是否收到節點或其他協調器廣播的指令，如果是，進入步驟(14)，否則返回步驟(12)；

(14)讀取指令，判斷指令類別，如果是協調器信道選擇指令，進入步驟(15)，如果是節點請求入網指令，進入步驟(19)；

處理其他協調器信道選擇指令子流程：

(15)判斷協調器信道選擇指令中選用信道和自身使用信道是否相同，如果是，判斷信道沖突，進入步驟(16)，否則進入步驟(17)；

(16)在信道0回復協調器信道占用指令；

(17)判斷自身托管節點中是否有節點地址首字節同發送協調器信道選擇指令的協調器的地址，如果有這樣的節點，進入步驟(18)，否則返回步驟(11)；

(18)標記該托管節點為故障狀態，向網關發送節點故障指令，返回步驟(11)；

處理節點請求入網指令子流程：

(19)讀取指令，判斷指令類型，如果是新節點請求入網指令，進入步驟(20)；如果是原有節點請求入網指令，進入步驟(23)；如果是原有節點請求入網指令，進入步驟(21)，如果是待托管節點請求入網指令，進入步驟(25)；

(20)分配節點地址，在信道0向節點發送允許新節點入網指令；

(21)切換至信道0接收狀態，等待回復，等待時間為T_Wait，如果接收到節點確認入網指令，則進入步驟(22)，否則，返回步驟(11)；

(22)更新節點數目S_Node＝S_Node+1，標記節點為正常狀態，向網關發送新節點入網指令，返回步驟(11)；

(23)在信道0向節點發送允許原有節點入網指令；

(24)標記節點為正常狀態，向網關發送原有節點入網指令，返回步驟(11)；

(25)在信道0向節點發送允許待托管節點入網指令；

(26)切換至信道0接收狀態，等待回復，等待時間為T_Wait，如果接收到待托管節點確認入網指令，則進入步驟(27)，否則，返回步驟(11)；

(27)記錄該托管節點地址，標記節點為正常狀態，向網關發送待托管節點入網指令；返回步驟(11)；

數據匯集階段：

(28)定時器定時時間達到后，向網關發送獲取下次采集數據時間指令；

(29)收到網關回復的通知下次采集數據時間指令后，更新定時器定時時間T_Collect，定時器定時；

(30)讀取第一個節點的地址和狀態，清零故障節點總數N_Error和新增故障節點數N_Error_Add；

(31)該節點狀態是否為正常狀態，進入步驟(32)，否則，進入步驟(36)；

(32)在使用信道Channel_Used上向節點發送數據采集指令；

(33)切換至使用信道Channel_Used接收狀態，等待回復，等待時間為T_Wait，如果接收到節點發送測量數據指令，則進入步驟(34)，否則，進入步驟(35)；

(34)記錄測量數據，向網關發送協調器數據傳輸指令，等待定時時間到，進入步驟(37)；

(35)標記節點為故障狀態，更新故障節點總數N_Error＝N_Error+1，新增故障節點數N_Error_Add＝N_Error_Add+1，向網關發送節點故障指令，進入步驟(37)；

(36)更新故障節點總數N_Error＝N_Error+1；

(37)該節點是否為最后一個節點，如果是，進入步驟(38)，否則進入步驟(39)；

(38)向網關發送本輪數據采集完畢指令，返回步驟(11)；

(39)讀取下一個節點的地址和狀態，返回步驟(31)。